慶應義塾研究者情報データベース

その他の所属・職名 【 表示 ／ 非表示 】

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• 理化学研究所, 計算宇宙物理研究室, 客員研究員

経歴 【 表示 ／ 非表示 】

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• 2009年

  - Keio University KLL Research Associate

• 2009年

  - University of Electro-Communications Assistant Professor

• 2009年

  - RIKEN Visiting Researcher

• 2009年04月

  -

  2019年03月

  慶應義塾大学, 先端科学技術センター, 研究員

• 2009年04月

  -

  継続中

  理化学研究所, 計算宇宙物理研究室, 客員研究員

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学歴 【 表示 ／ 非表示 】

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• 2000年04月

  -

  2004年03月

  慶應義塾大学, 理工学部, 機械工学科

  大学, 卒業

• 2004年04月

  -

  2006年03月

  慶應義塾大学, 開放環境科学専攻, 環境資源エネルギー科学専修

  大学院, 修了, 修士

• 2006年04月

  -

  2009年03月

  慶應義塾大学, 開放環境科学専攻, 環境資源エネルギー科学専修

学位 【 表示 ／ 非表示 】

学位 【 表示 ／ 非表示 】

• 博士（工学）, 慶應義塾大学, 課程, 2009年03月

  散逸粒子動力学法を用いた界面活性剤水溶液の自己組織化の解明および高効率ナノ モーターシステムの設計・開発

免許・資格 【 表示 ／ 非表示 】

免許・資格 【 表示 ／ 非表示 】

• 普通自動車第一種運転免許, 2000年09月

• 初級システムアドミニストレータ資格, 2000年11月

研究分野 【 表示 ／ 非表示 】

研究分野 【 表示 ／ 非表示 】

• ものづくり技術（機械・電気電子・化学工学） / 熱工学 (マイクロ・ナノ工学)

• ナノテク・材料 / ナノ材料科学

• ナノテク・材料 / ナノバイオサイエンス

• ナノテク・材料 / ナノマイクロシステム

研究キーワード 【 表示 ／ 非表示 】

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• Molecular motor system

• ソフトマター

• ソフトマター

• ナノ空間

• ナノ粒子

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著書 【 表示 ／ 非表示 】

著書 【 表示 ／ 非表示 】

• 高分子材料の事典（仮）

  荒井規允, 朝倉書店, 2021年

• 化学便覧 基礎編 改訂6版

  荒井規允, 泰岡顕治など, 丸善出版, 2020年12月

• データ分析の進め方及びAI・機械学習導入の指南 ～データ収集・前処理・分析・評価結果の実務レベル対応～

  荒井規允, 情報機構, 2020年07月

• 人と共生するAI革命 : 活用事例からみる生活・産業・社会の未来展望

  荒井規允, 湯原大輔, 泰岡顕治, エヌ・ティー・エス, 2019年

  担当範囲: 第11章3節「AI活用による材料創製のための分子シミュレーションの高速化と界面活性剤性質予測システムの開発」

• 界面活性剤の選び方、使い方事例集

  荒井規允, 技術情報協会, 2019年

  担当範囲: 第2章 第9節「AIによる界面活性剤の性質予測」

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論文 【 表示 ／ 非表示 】

論文 【 表示 ／ 非表示 】

• Molecular insight into toughening induced by core-shell structure formation in starch-blended bioplastic composites

  Yamaguchi Akihiro, Arai Satoshi, Arai Noriyoshi

  CARBOHYDRATE POLYMERS （Carbohydrate Polymers)  315   120974 2023年09月

  ISSN  0144-8617

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  Binary and ternary blends with poly(lactic acid) (PLA), poly(butylene succinate) (PBS), and thermoplastic starch (TPS) were prepared by a melt process to produce biodegradable biomass plastics with both economical and good mechanical properties. The mechanical and structural properties of each blend were evaluated. Molecular dynamics (MD) simulations were also conducted to examine the mechanisms underlying the mechanical and structural properties. PLA/PBS/TPS blends showed improved mechanical properties compared with PLA/TPS blends. The PLA/PBS/TPS blends with a TPS ratio of 25–40 wt% showed higher impact strength than PLA/PBS blends. Morphology observations showed that in the PLA/PBS/TPS blends, a structure similar to that of core-shell particles with TPS as the embedding phase and PBS as the coating phase was formed, and that the trends in morphology and impact strength changes were consistent. The MD simulations suggested that PBS and TPS tightly adhered to each other in a stable structure at a specific intermolecular distance. From these results, it is clear that PLA/PBS/TPS blends are toughened by the formation of a core-shell structure in which the TPS core and the PBS shell adhered well together and stress concentration and energy absorption occurred in the vicinity of the core-shell structure.

  • Access to Document (DOI)

• Aggregation of amphiphilic nanocubes in equilibrium and under shear

  Yokoyama Takahiro, Kobayashi Yusei, Arai Noriyoshi, Nikoubashman Arash

  SOFT MATTER （Soft Matter)  19 （ 34 ） 6480 - 6489 2023年08月

  ISSN  1744-683X

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  We investigate the self-assembly of amphiphilic nanocubes into finite-sized aggregates in equilibrium and under shear, using molecular dynamics (MD) simulations and kinetic Monte Carlo (KMC) calculations. These patchy nanoparticles combine both interaction and shape anisotropy, making them valuable models for studying folded proteins and DNA-functionalized nanoparticles. The nanocubes can self-assemble into various finite-sized aggregates ranging from rods to self-avoiding random walks, depending on the number and placement of the hydrophobic faces. Our study focuses on suspensions containing multi- and one-patch cubes, with their ratio systematically varied. When the binding energy is comparable to the thermal energy, the aggregates consist of only few cubes that spontaneously associate/dissociate. However, highly stable aggregates emerge when the binding energy exceeds the thermal energy. Generally, the mean aggregation number of the self-assembled clusters increases with the number of hydrophobic faces and decreases with increasing fraction of one-patch cubes. In sheared suspensions, the more frequent collisions between nanocube clusters lead to faster aggregation dynamics but also to smaller terminal steady-state mean cluster sizes. The results from the MD and KMC simulations are in excellent agreement for all investigated two-patch cases, whereas the three-patch cubes form systematically smaller clusters in the MD simulations compared to the KMC calculations due to finite-size effects and slow aggregation kinetics. By analyzing the rate kernels, we are able to identify the primary mechanisms responsible for (shear-induced) cluster growth and breakup. This understanding allows us to tune nanoparticle and process parameters to achieve desired cluster sizes and shapes.

  • Access to Document (DOI)

• Reproduction of super-multicomponent self-assembled structures and their functionality using coarse-grained molecular simulation - the example of cleansing agents

  Yokoyama Takahiro, Miwake Hideki, Hamaguchi Masugu, Nakatake Ryoichi, Arai Noriyoshi

  MOLECULAR SYSTEMS DESIGN & ENGINEERING （Molecular Systems Design and Engineering)  8 （ 4 ） 538 - 550 2023年04月

  ISSN  2058-9689

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  Self-assembly of multi-component systems can provide a large variety of functions, which is impossible for a single-component system, and those multi-component derived functional materials attract attention in various fields such as biomedical, engineering, and materials science. This gives multi-component systems importance, but molecular elucidation of such systems is a major challenge, since this type of complex system has large degrees of freedom. In this study, we focused on cleansing agents as multi-component systems, which are cosmetics products mainly used to remove oily compounds such as makeup, and are multi-component aqueous solutions consisting of many surfactants, moisturizers, and pH regulators. Our aim is to link the macroscopic properties of multi-component systems with the mesoscale structures to elucidate the molecular evidence of functions. We have studied the self-assembled morphologies of cleansing agents using coarse-grained molecular simulations as mesoscale structures and compared them to cleansing performance as a macroscopic property. From the simulation results of morphologies and the experimental results of performance, the key features which explain their functionalities were examined. As a result, it was quantitatively shown that the distribution of specific particles or molecules such as hydrophobic particles both in the bulk state and when they are applied on dirty surfaces is one of the clues to explain the performance. Through molecular designing based on this result, it will be much easier to reach the desired property or performance in the field of multi-component functional materials. Thus, this molecular simulation method will push the field of materials science and materials informatics forward.

  • Access to Document (DOI)

• Wetting hysteresis induces effective unidirectional water transport through a fluctuating nanochannel

  Arai Noriyoshi, Yamamoto Eiji, Koishi Takahiro, Hirano Yoshinori, Yasuoka Kenji, Ebisuzaki Toshikazu

  NANOSCALE HORIZONS （Nanoscale Horizons)  8 （ 5 ） 652 - 661 2023年02月

  ISSN  2055-6756

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  We propose a water pump that actively transports water molecules through nanochannels. Spatially asymmetric noise fluctuations imposed on the channel radius cause unidirectional water flow without osmotic pressure, which can be attributed to hysteresis in the cyclic transition between the wetting/drying states. We show that the water transport depends on fluctuations, such as white, Brownian, and pink noises. Because of the high-frequency components in white noise, fast switching of open and closed states inhibits channel wetting. Conversely, pink and Brownian noises generate high-pass filtered net flow. Brownian fluctuation leads to a faster water transport rate, whereas pink noise has a higher capability to overcome pressure differences in the opposite direction. A trade-off relationship exists between the resonant frequency of the fluctuation and the flow amplification. The proposed pump can be considered as an analogy for the reversed Carnot cycle, which is the upper limit of the energy conversion efficiency.

  • Access to Document (DOI)

• Combining Molecular Dynamics and Machine Learning to Analyze Shear Thinning for Alkane and Globular Lubricants in the Low Shear Regime

  Yasuda I., Kobayashi Y., Endo K., Hayakawa Y., Fujiwara K., Yajima K., Arai N., Yasuoka K.

  ACS Applied Materials and Interfaces （ACS Applied Materials and Interfaces)  15 （ 6 ） 8567 - 8578 2023年02月

  ISSN  19448244

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  Lubricants with desirable frictional properties are important in achieving an energy-saving society. Lubricants at the interfaces of mechanical components are confined under high shear rates and pressures and behave quite differently from the bulk material. Computational approaches such as nonequilibrium molecular dynamics (NEMD) simulations have been performed to probe the molecular behavior of lubricants. However, the low-shear-velocity regions of the materials have rarely been simulated owing to the expensive calculations necessary to do so, and the molecular dynamics under shear velocities comparable with that in the experiments are not clearly understood. In this study, we performed NEMD simulations of extremely confined lubricants, i.e., two molecular layers for four types of lubricants confined in mica walls, under shear velocities from 0.001 to 1 m/s. While we confirmed shear thinning, the velocity profiles could not show the flow behavior when the shear velocity was much slower than thermal fluctuations. Therefore, we used an unsupervised machine learning approach to detect molecular movements that contribute to shear thinning. First, we extracted the simple features of molecular movements from large amounts of MD data, which were found to correlate with the effective viscosity. Subsequently, the extracted features were interpreted by examining the trajectories contributing to these features. The magnitude of diffusion corresponded to the viscosity, and the location of slips that varied depending on the spherical and chain lubricants was irrelevant. Finally, we attempted to apply a modified Stokes-Einstein relation at equilibrium to the nonequilibrium and confined systems. While systems with low shear rates obeyed the relation sufficiently, large deviations were observed under large shear rates.

  • Access to Document (DOI)

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KOARA（リポジトリ）収録論文等 【 表示 ／ 非表示 】

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• 熱スイッチ機能を有する熱輸送材料の設計と熱交換メカニズムの分子論的理解

  荒井, 規允

  学事振興資金研究成果実績報告書 （慶應義塾大学)  2019年

• 界面活性剤分子の自己集合によるトムズ効果メカニズムの分子論的解明

  荒井, 規允

  科学研究費補助金研究成果報告書 2019年

総説・解説等 【 表示 ／ 非表示 】

総説・解説等 【 表示 ／ 非表示 】

• Wetting hysteresis induces effective unidirectional water transport through a fluctuating nanochannel

  Arai Noriyoshi, Yamamoto Eiji, Koishi Takahiro, Hirano Yoshinori, Yasuoka Kenji, Ebisuzaki Toshikazu

  NANOSCALE HORIZONS (Nanoscale Horizons)  8 ( 5 ) 652 - 661 2022年04月

  ISSN  2055-6756

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  We propose a water pump that actively transports water molecules through nanochannels. Spatially asymmetric noise fluctuations imposed on the channel radius cause unidirectional water flow without osmotic pressure, which can be attributed to hysteresis in the cyclic transition between the wetting/drying states. We show that the water transport depends on fluctuations, such as white, Brownian, and pink noises. Because of the high-frequency components in white noise, fast switching of open and closed states inhibits channel wetting. Conversely, pink and Brownian noises generate high-pass filtered net flow. Brownian fluctuation leads to a faster water transport rate, whereas pink noise has a higher capability to overcome pressure differences in the opposite direction. A trade-off relationship exists between the resonant frequency of the fluctuation and the flow amplification. The proposed pump can be considered as an analogy for the reversed Carnot cycle, which is the upper limit of the energy conversion efficiency.

  • Access to Document (DOI)

• Prediction of transport property via machine learning molecular movements

  Ikki Yasuda, Yusei Kobayashi, Katsuhiro Endo, Yoshihiro Hayakawa, Kazuhiko Fujiwara, Kuniaki Yajima, Noriyoshi Arai, Kenji Yasuoka

   2022年03月

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  Molecular dynamics (MD) simulations are increasingly being combined with
  machine learning (ML) to predict material properties. The molecular
  configurations obtained from MD are represented by multiple features, such as
  thermodynamic properties, and are used as the ML input. However, to accurately
  find the input--output patterns, ML requires a sufficiently sized dataset that
  depends on the complexity of the ML model. Generating such a large dataset from
  MD simulations is not ideal because of their high computation cost. In this
  study, we present a simple supervised ML method to predict the transport
  properties of materials. To simplify the model, an unsupervised ML method
  obtains an efficient representation of molecular movements. This method was
  applied to predict the viscosity of lubricant molecules in confinement with
  shear flow. Furthermore, simplicity facilitates the interpretation of the model
  to understand the molecular mechanics of viscosity. We revealed two types of
  molecular mechanisms that contribute to low viscosity.

• 分子が関わる伝熱・熱工学 ナノ多孔質体に閉じ込められた物質の固液相転移現象と自己組織化現象

  金子敏宏, 荒井規允, 泰岡顕治

  伝熱 56 ( 236 )  2017年

  ISSN  1344-8692

• Erratum: Self-assembly of Janus nanoparticles with a hydrophobic hemisphere in nanotubes (Soft Matter (2016) 12 (378-385))

  Kobayashi Y., Arai N.

  Soft Matter (Soft Matter)  12 ( 6 ) 1924 2016年

  ISSN  1744683X

  • Access to Document (DOI)

• C221 散逸粒子動力学シミュレーションによる二成分系液晶の相挙動及び構造の解析(OS-13:分子シミュレーション(2))

  西山 雄一郎, 荒井 規允

  熱工学コンファレンス講演論文集 (一般社団法人日本機械学会)  2015   "C221 - 1"-"C221-2" 2015年10月

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  In this study, we carried out a dissipative particle dynamics simulation about two kind of the length liquid crystal molecules. In this simulation, we observed phases as a volume fraction of liquid crystal molecules as a parameter with temperature change. As a result, we found that a transition temperature from isotropic phase to nematic phase depends on the volume fraction.

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研究発表 【 表示 ／ 非表示 】

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• Clarifying mechanism of water permeation in polymeric membranes and synthetic strategy for water-inhibiting functional polymers

  N Arai, Y. Araki

  6th International Conference on Multifunctional, Hybrid and Nanomaterials (MYMA2019), 

  2019年03月

  , 

  ポスター発表

• Dissipative particle dynamics simulation for elucidating relaxation behaviour of telechelic ionomer supramolecular network

  R. Miwatani, N. Arai

  6th International Conference on Multifunctional, Hybrid and Nanomaterials (MYMA2019), 

  2019年03月

  , 

  ポスター発表

• Structural analysis of cholesteric liquid crystal orientation in nanotube: Dissipative particle dynamics simulation

  H. Tsujinoue, T. Nozawa, N. Arai

  6th International Conference on Multifunctional, Hybrid and Nanomaterials (MYMA2019), 

  2019年03月

  , 

  ポスター発表

• Self-assembly of various patchy nanoparticles in nanoslit using molecular simulation

  Y. Kobayashi, N. Arai, K. Nomura

  6th International Conference on Multifunctional, Hybrid and Nanomaterials (MYMA2019), 

  2019年03月

  , 

  ポスター発表

• Relationship between water permeation and flip-flops motion of lipid membrane

  T Inokuchi, N. Arai

  6th International Conference on Multifunctional, Hybrid and Nanomaterials (MYMA2019), 

  2019年03月

  , 

  ポスター発表

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競争的研究費の研究課題 【 表示 ／ 非表示 】

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• 熱伝導メカニズムの分子論的解明および熱伝導スイッチング材料の設計

  2019年11月

  -

  2020年10月

  住友財団, 基礎科学研究助成, 荒井 規允, 研究代表者

• 界面活性剤分子の自己集合によるトムズ効果メカニズムの分子論的解明

  2017年04月

  -

  2020年03月

  文部科学省・日本学術振興会, 科学研究費助成事業, 荒井　規允, 若手研究（Ｂ）, 補助金,  研究代表者

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  本年度は昨年度に開発した境界条件に密度勾配を与える方法のプログラムを使用し，実際に円管流れ下における界面活性剤水溶液の挙動を再現，解析を行った．トムズ効果に影響を与えるパラメータとして様々なものが知られているが，まずは界面活性剤分子が持つ炭素鎖の長さと，円管壁面の化学的性質の２つに着目して，流れの速度の影響を調べた．
  その結果，比較的炭素鎖の長さが短い場合，流れが遅い場合球状ミセルが形成されるが，流れの速度が増加するにつれて球状ミセル同士が衝突によって長い棒状・紐状のミセルへ成長し，粘度の減少が観察された．一方，炭素鎖が比較的長い場合，速度が遅いときには巨大な球状ミセルが形成され，粘度が流れの速度によらないニュートニアンのような振る舞いを示すが，流れが早くなるにつれて棒状ミセルの出現，さらに棒状ミセルが引き伸ばされることによって，粘度の増加が観察された．
  さらに管内壁面の化学的相互作用を変化させた時，親水的な壁面の場合，界面活性剤の濃度にかかわらず流れの速度が速くなるにつれて粘度の減少が見られたが，疎水的な壁面の場合，濃度が低いときにはニュートン流体のような振る舞い，濃度が高いときには粘度増加が観察された．この原因はミセルの破壊と弾性乱流の発生に伴うものだと示唆された．
  また現実により近く，妥当性のある結果を得るためには巨大な系と長時間のシミュレーションを行い，十分な統計量を得ることが必要である．OpenMPやFDPSを使用した高速化コードの開発は引き続き取り組んでいる.
  当初予定していた研究計画通りに進めることができた．トムズ効果のメカニズムを調べるために，まずは２つのパラメータについて詳細に検討できた．さらに結果は投稿論文で発表することができたため，順調に進展している，とした．
  シミュレーションの高速化に関するプログラムコードの開発，特にFDPSフレームワークの導入は引き続き行う予定である．いくつかのパラメータについて，管内流れ下における界面活性剤水溶液の挙動を再現し，粘度挙動を詳細に検討することがが可能となったため，これを踏まえ，抵抗低減に関する検討を行い，トムズ効果発現の分子論的な原因を特定する.そのためには，高レイノルズ数における流れを再現する必要がある．現在，計算の効率化のため円管半径を小さく抑えたため，レイノルズ数が小さくなってしまっている．半径をより大きくした大規模なシミュレーションを行い，抵抗低減率を測定し，それとミセルのサイズや形状，棒状ミセルの配向性や伸び，界面活性剤分子の親水性・円管の半径や化学的な相互作用とどのような関係性が見られるかについて検討することを予定して いる.

• 散逸粒子動力学シュミュレーションによるJanusナノ粒子の自己集合形態の予測

  2013年04月

  -

  2015年03月

  電気通信大学, 荒井 規允, 若手研究(B), 未設定

  　研究概要を見る

  ナノ粒子の自己集合は，我々の身の回りの様々な機能性材料の中で用いられている．つまり，自己集合と機能には強い関わりがあると言える．Janus粒子は，粒子表面に2つ以上の異なる性質を持つ（例えば疎水性と親水性を併せ持つ）特殊な粒子で，近年の合成技術の発達によって作成可能となった．本研究では Janusナノ粒子の自己集合構造や自己集合過程を分子シミュレーションによって調べた．その結果，これまで観察されなかった新しい集合構造や相を発見し，また規則的な相が現れるいくつかの条件を特定することができた．

受賞 【 表示 ／ 非表示 】

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• 優秀講演賞

  荒井 規允, 2017年09月, 日本機械学会ソフトマターイノベーション, 散逸粒子動力学法を用いたテレケリックポリマー水溶液のせん断流れ下の振る舞い

• 国際会議論文発表奨励賞

  荒井 規允, 2006年09月, 慶應義塾大学, Dissipative Particle Dynamics of surfactant threadlike micellar solutions

担当授業科目 【 表示 ／ 非表示 】

担当授業科目 【 表示 ／ 非表示 】

• 機械工学総合実験

  2024年度

• 理工学基礎実験

  2024年度

• 熱力学の基礎

  2024年度

• 開放環境科学課題研究

  2024年度

• 開放環境科学特別研究第２

  2024年度

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メディア報道 【 表示 ／ 非表示 】

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• 界面活性剤を利用したホコリ除去について

  テレビ東京, ヒャッキン, 2018年05月

所属学協会 【 表示 ／ 非表示 】

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• 日本伝熱学会, 

  2018年04月

  -

  継続中

• スマートプロセス学会, 

  2016年04月

  -

  2018年03月

• 日本機械学会, 

  2009年04月

  -

  継続中

• 分子シミュレーション学会, 

  2007年04月

  -

  継続中

• 日本レオロジー学会, 

  2006年04月

  -

  継続中

委員歴 【 表示 ／ 非表示 】

委員歴 【 表示 ／ 非表示 】

• 2017年04月

  -

  2018年03月

  第30回計算力学講演会実行委員副幹事, 日本機械学会計算力学部門

• 2016年04月

  -

  2017年03月

  第30回分子シミュレーション討論会実行委員, 分子シミュレーション学会

• 2016年04月

  -

  2017年03月

  編集委員, スマートプロセス学会

• 2015年04月

  -

  2019年03月

  編集委員, 分子シミュレーション学会

• 2015年04月

  -

  2019年03月

  編集委員, 分子シミュレーション学会

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